Naarmate hernieuwbare energie over de hele wereld als energiebron groeit, een belangrijk onderdeel ontgaat de industrie nog steeds:grootschalige, stal, efficiënte en betaalbare batterijen.

Lithium-ionbatterijen zijn succesvol gebleken voor consumentenelektronica, maar elektrische voertuigen, windturbines of smart grids vereisen batterijen met een veel grotere energiecapaciteit. Een toonaangevende concurrent is de lithium-metaalbatterij, die verschilt van lithium-iontechnologie doordat het lithiummetaalelektroden bevat.

Voor het eerst bedacht in 1912, lithium-metaalbatterijen hebben het potentieel voor enorme hoeveelheden energieopslag tegen lage kosten, maar ze lijden aan een fatale fout:dendrieten - scherpe naalden gemaakt van klompjes lithiumatomen die ervoor kunnen zorgen dat batterijen opwarmen en soms kortsluiting veroorzaken en vlam vatten.

Echter, de belofte van de technologie heeft ervoor gezorgd dat onderzoekers en bedrijven werken aan manieren om dit probleem op te lossen.

"Lithium-metaalbatterijen zijn in feite de droombatterijen omdat ze een extreem hoge energiedichtheid bieden, " zei Reza Shahbazian-Yassar, universitair hoofddocent mechanische en industriële techniek aan de Universiteit van Illinois in Chicago (UIC). "Echter, we zijn niet in staat geweest om commercieel levensvatbare lithium-metaalbatterijen te bouwen met organische vloeibare elektrolyten vanwege heterogene lithiummetaalplating die leidt tot dendrieten bij langdurig batterijgebruik."

Onlangs, teams van onderzoekers, waaronder Shahbazian-Yassar aan de UIC en Perla Balbuena aan de Texas A&M University, dichter bij het vinden van een oplossing zijn gekomen, gedeeltelijk door de kracht van supercomputers toe te passen om de kernchemie en fysica te begrijpen die aan het werk zijn bij de vorming van dendrieten en om nieuwe materialen te ontwikkelen die de groei van dendrieten kunnen verminderen.

Inschrijven Geavanceerde functionele materialen in februari 2018, de onderzoekers presenteerden de resultaten van studies naar een nieuw materiaal dat het al lang bestaande dendrietprobleem zou kunnen oplossen.

"Het idee was om een ​​coatingmateriaal te ontwikkelen dat het lithiummetaal kan beschermen en de ionenafzetting veel soepeler kan maken, " zei Balbuena, hoogleraar Chemical Engineering aan Texas A&M en co-auteur van het papier.

De onderzoeken waren gebaseerd op de Stampede- en Lonestar-supercomputers van het Texas Advanced Computing Center (TACC), een van de krachtigste ter wereld.

ION PACHINKO

In de krant, de onderzoekers beschreven een grafeenoxide-nanoblad dat op een glasvezelscheider kan worden gespoten die vervolgens in de batterij wordt gestoken. Het materiaal laat lithiumionen door, maar vertraagt ​​​​en regelt hoe de ionen zich combineren met elektronen van het oppervlak om neutrale atomen te worden. In plaats van naalden te vormen, de afgezette atomen vormen glad, vlakke oppervlakken aan de onderkant van het vel.

De onderzoekers gebruikten computermodellen en simulaties in combinatie met fysieke experimenten en microscopische beeldvorming om te onthullen hoe en waarom het materiaal lithiumafzetting effectief regelt. Ze toonden aan dat de lithiumionen een dunne film vormen op het oppervlak van het grafeenoxide en vervolgens diffunderen door defecte plaatsen - in wezen gaten in de lagen van het materiaal - voordat ze zich onder de onderste laag van het grafeenoxide nestelen. Het materiaal werkt als de pinnen in een pachinko-spel, vertragen en richten van de metalen ballen als ze vallen.

"Onze bijdrage was om moleculaire dynamica-simulaties uit te voeren waarbij we het traject van de elektronen en atomen in de tijd volgen en observeren wat er op atomistisch niveau gebeurt, " Zei Balbuena. "We waren geïnteresseerd in het ophelderen hoe de lithiumionen door het systeem diffundeerden en atomen werden wanneer de afzetting eindigt in lithiumplating."

De met grafeenoxide gedoteerde batterijen hebben een langere levensduur en zijn stabiel tot 160 cycli, terwijl een ongewijzigde batterij snel zijn efficiëntie verliest na 120 cycli. Het oxide kan eenvoudig en voordelig worden aangebracht met een spuitpistool.

Hoe de spray op de nanosheets is aangebracht, was een ander aandachtspunt van het onderzoek. "Als je het experiment doet, het is op microscopisch niveau niet duidelijk waar de coating zal zitten, "zei Balbuena. "Het is erg dun, dus het nauwkeurig lokaliseren van deze coatings is niet triviaal."

Hun computermodel onderzocht of het gunstiger zou zijn als het oxide evenwijdig of loodrecht op de stroomcollector zou staan. Beide kunnen effectief zijn, ze vonden, maar indien parallel gedeponeerd, het materiaal heeft een bepaald aantal defecten nodig zodat ionen erdoor kunnen glippen.

"De simulaties gaven onze medewerkers ideeën over het mechanisme van ionenoverdracht door de coating, " zei Balbuena. "Het is mogelijk dat sommige van de toekomstige richtingen verschillende diktes of chemische samenstellingen inhouden op basis van het fenomeen dat we hebben waargenomen."

ALTERNATIEVE KATHODEMATERIALEN ONTDEKKEN

In afzonderlijk onderzoek is gepubliceerd in ChemSusChem in februari 2018, Balbuena en afgestudeerde student Saul Perez Beltran beschreven een batterijontwerp dat grafeenplaten gebruikt om de prestaties van koolstofzwavelkathodes voor lithium-zwavelbatterijen te verbeteren. een ander potentieel opslagsysteem met hoge capaciteit.

Naast de natuurlijke overvloed van zwavel, niet-toxiciteit en lage kosten, een op zwavel gebaseerde kathode is theoretisch in staat tot 10 keer meer opslag te leveren dan de veelgebruikte lithium-kobaltoxide-kathoden in conventionele lithium-ionbatterijen.

Echter, chemische reacties in de batterij leiden tot de vorming van lithiumpolysulfiden, chemische verbindingen die ketens van zwavelatomen bevatten. Polysulfiden met lange ketens zijn oplosbaar in de vloeibare elektrolyt en migreren naar de lithiummetaalanode waar ze ontleden, een ongewenst effect. Anderzijds, polysulfiden met een korte keten zijn onoplosbaar en blijven aan de op zwavel gebaseerde kathode. De onderzoekers onderzochten hoe de microstructuur van de kathode deze chemie kan beïnvloeden.

Ze hebben het probleem van ongecontroleerde polysulfidevorming aangepakt door een zwavel/grafeencomposietmateriaal te creëren dat de vorming van de oplosbare polysulfiden met lange ketens vermijdt. Ze ontdekten dat de grafeenvellen stabiliteit aan de kathode brengen en de ionenvangstmogelijkheden verbeteren.

Balbuena's onderzoek wordt ondersteund door het Department of Energy als onderdeel van de Battery Materials Research en Battery 500 Seedling-programma's, die beide gericht zijn op het creëren van kleinere, veiliger, lichtere en goedkopere batterijpakketten om elektrische voertuigen betaalbaarder te maken.

Stampede en zijn opvolger Stampede2 worden ondersteund door subsidies van de National Science Foundation en stellen tienduizenden onderzoekers uit het hele land in staat om problemen te onderzoeken die we anders niet hadden kunnen oplossen.

"Dit zijn zeer uitgebreide berekeningen, daarom hebben we krachtige computers nodig, "Zei Balbuena. "We zijn zware gebruikers van TACC-middelen en we zijn de Universiteit van Texas erg dankbaar dat ze ons toestemming hebben gegeven om deze faciliteiten te gebruiken."

Voor Balbuena, door supercomputers aangedreven fundamenteel onderzoek naar batterijen van de volgende generatie is een perfecte synthese van haar interesses.

"Het onderzoek is een combinatie van chemie, natuurkunde en techniek, allemaal mogelijk gemaakt door computers, deze theoretische microscoop die dingen kan visualiseren door middel van theorie."